途上国は、電力と灌漑を切実に求めて、水力発電を飛躍的に拡大しようと計画している。 自国の資源を使うという戦略的な判断でもある。 低炭素で長期的に信頼できるベースロード発電を提供するという点では、原子力発電に次いで水力発電は、自国の将来を他国の化石燃料供給に担保させずにエネルギー生産を増やす優れた方法です。
現在600以上の水力発電ダムが建設中で、近い将来には3千以上のダムが計画されているそうです。 そのほとんどは、アジアとラテンアメリカにあります（Vox.com）。 これによって、世界の水力発電の量は倍増する（下図参照）。
この量の水力発電には約3兆ドルの投資が必要で、今世紀半ばまでに約60兆kWhの電力を生産する予定である。 これは、灌漑用水と、10 億人近くを貧困から救い出すのに十分な電力を提供することになる。 そして、これだけの水力発電があれば、500億トンの二酸化炭素の大気中への排出を避けることができます。
発展途上国は、電力と灌漑に対する切実なニーズと、低炭素で長期信頼できるベースロード発電に自国の資源を利用するという戦略上の決定として、水力発電を劇的に拡大しようと計画しています。 しかし、地球と多くの市民の生活には、軽減されなければならない隠れたコストがあるのです。 そうでなければ、私たちはさらに予期せぬ結果を迎えることになるでしょう。 写真はワシントン州とオレゴン州の州境にあるコロンビア川沿いのマクナリーダム。 出典はこちら。 DOE EERE
しかし、この話にはもうひとつの側面があります。 水力発電の劇的な拡大、特にこれらの発展途上国の多くがある熱帯地域では、河川の生態系にも劇的な影響を与えることになるのです。 誇張されていますが、水力発電の低炭素な側面についてさえ疑問があります。
安い電力を求めるあまり、この地球上の重要な川のほとんどをダムでせき止めてしまうかもしれません。 実際、淡水魚は地球上で最も危機に瀕している脊椎動物のグループの1つです。 これらの魚が失われると、たとえ局所的であっても、川に依存する社会と経済に打撃を与える可能性があります。 これらの社会のほとんどは貧しく、人口が急速に増加しているため、これは二重の痛手となります。
トップ：現在、600 以上の大規模水力発電ダムが建設中です（青い点 – 17%）…そして近い将来には 3,000 以上（赤い点 – 83%）が計画されています。 このような水力発電の増加は、10億人近くを貧困から救うのに十分な灌漑用水と電力を供給し、今世紀半ばまでに500億トンの炭素排出を回避することができるだろう。 現在、ほとんどの既存発電所があるアメリカや西ヨーロッパでは、どれも計画されていないことに注目しよう。 下。 既存の水力発電ダム。 出典 Christiane Zarfl et al, Aquatic Sciences (DOI: 10.1007/s00027-014-0377-0)
魚が水力ダムに最初に近づくとき、ダムの後ろの深くなった水の中で圧力が上昇します。 その後、魚はドラフトチューブに入るか、ゲートの下を泳ぎ、そこで急激な減圧と水のサージが発生する。 その速度は、魚が自分で泳ぎをコントロールできる速度を超えていることが多く、魚は投げ出され、物や壁、他の魚にぶつかる。
最後に、魚はダムの下流の川に入り、強い渦と異なる水の激しい混合によってせん断応力が生じ、鱗やヒレが剥がれたり、死に至ることがある。
気圧の急変による物理的被害は、気圧外傷、または気圧トラウマ（下記の気圧トラウマの図を参照）と呼ばれる。 急激な減圧により、腸、食道、胃、水中膀胱などの内臓が引き抜かれることがある。 目が飛び出すこともあります。
「トータル・リコール」のラストで、アーノルド・シュワルツェネッガーが火星に投げ出され、その薄い大気中で減圧により死亡したときの気圧外傷を思い浮かべてみてください。
水力発電ダムを通過する魚が受ける傷害には、激しい水の中で物にぶつかったり、気圧外傷（魚の内部の一部が引き出されるなど圧力による害、ここではチヌークサーモンの稚魚の目が飛び出したときに目に入った塞栓（気泡）として見られる）などがあります。 急速に減圧されると、浮力を維持するために使用される魚の水泳膀胱が破裂し、ガスが臓器や組織、この場合は目に入り込む可能性がある。 Credit: PNNL Ecology Group
これらの有害作用の重さは、次のように決められる。
– ダムの前後の水域の操作水位差
– プラントの設計
– サイトの水文学
– 魚種ごとの耐性
これらの影響を知ることで、魚にとってより優しい水力ダムの設計が可能になるはずです。 パシフィック・ノースウエスト国立研究所のリチャード・ブラウンと共同研究者たちは、気圧外傷について詳しく研究しています。 Brown は、水中膀胱は空気がたくさん入っているため、特によく標的とされる器官であると述べています。 そして、ほとんどの魚には水中膀胱があります。 数少ない例外はヤツメウナギとタガメです。
サケのような種は、死ぬ前に川で一度だけ生殖します。 したがって、下流域の通行が影響を及ぼす可能性のあるライフステージは、サケの幼魚のみである。 マスのような他の魚は、産卵後に海に戻り、川内を行ったり来たりするため、タービンを複数回通過する。
もう一つの問題は、Brown et al, 2014によると、東南アジア、南米、オーストラリアの大規模氾濫原川に関係しており、卵や幼生の漂流は多くの魚の生活の一部で、ダムと出会う可能性を高めている。 北米でも、セイウチやチョウザメの卵、幼生、小さな稚魚は長距離を漂流し、その脆弱性から気圧外傷を非常に受けやすいとされています。
「幼生の漂流の生態や時期、魚の生涯で初めて鰾を膨らませる時期を理解することは、気圧外傷に対する感受性を理解する上で重要である」
ダムの水力と幼魚の生態、ライフサイクル、発達を知ることで、水力発電ダムの設計をより良くすることができる。 タービンは、急激で大きな圧力変化を避けるように改良することができます。 これは、タービン自体の摩耗を減らすことにもつながる。 多くの水を迂回させることなく、魚が水系を通る代替ルートがあれば、魚はこの試練をよりよく乗り切ることができます。
しかし、緩和策には費用がかかるのです。 しかし、緩和策には費用がかかります。また、発展途上国にそのような余裕があるか、あるいは実行に移すかどうかは不明です。 ここ太平洋岸北西部のコロンビア川では、1950 年以来、サケの種の保存に 70 億ドル以上が費やされてきました。魚道の建設、梯子や階段の設置、灌漑分水のスクリーニング、生息地の修復、下流の通行許可などです。
しかし、米国における現在の対策は主にサケのために開発されたものであり、世界各地のさまざまな淡水種にうまく移行できないかもしれない。 多くの熱帯の氾濫原の河川の魚は、雨季と乾季の間の異常な変化に適応している。 繁殖と成長は、巨大な水流が成魚と幼魚の両方の産卵、保育、摂食の生息地を生み出す雨季に最適化される。
乾季には、完全に乾燥するか一連の避難プールが発生し、生存できる生息地を見つけることが困難になる。 どちらの場合も、河川と氾濫原の生息地内および生息地間で魚が自由に移動できるように、生息地の高い連結性が重要である。
これらの生態系において、正しい季節の湿潤および乾燥状態を維持し、異なる生息地間の自由な移動を可能にしながら運用できる水力発電ダムの設計が難しいことは簡単に想像がつくだろう。
したがって、水力発電ダムを建設しようとする政府を教育し、魚にやさしい新しい設計を提供し、それが採用されれば、世界銀行と国連から経済的インセンティブが得られるよう、我々先進国が支援することが不可欠である。
さもなければ、地球とその住民に対するコストは、私たちの許容量を超えるかもしれません。
追記：本日、米国物理学会の Review of Scientific Instruments に掲載された論文で、センサーフィッシュという人工魚について述べられています。